[发明专利]由纳米压印技术制备水凝胶可调谐光子晶体的方法

说明书

技术领域

本发明属于光子晶体技术领域，具体涉及一种基于纳米压印技术制备可调谐光子晶体的方法。由该方法制备的光子晶体可以通过改变温度、湿度和PH值等参数来调节水凝胶制备的光子晶体的结构参数，即周期性排列图形的尺寸和孔间距等。

背景技术

光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列从而可产生光子带隙的微结构材料。理论和实验证实人们可以利用光子晶体来操纵光子，频率处于禁带内的光子无法在光子晶体内部传播。光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质，例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等。这些性质使得光子晶体成为光子技术中的一个基础性的材料，具有广泛的应用价值。

一般制备的光子晶体结构都是不可调的，其结构参数是固定的，因此光子禁带位置也是不变的。如果通过施加电场、磁场或者改变温度来改变材料的介电常数、晶格结构等参数，实现对光子晶体的禁带可调，那必然将产生一系列的新效应、新现象，使基于光子晶体的材料有更广泛的应用。

理论上通过控制介质的介电常数差、填充比以及晶体晶格结构等因素中的一个或几个便可以制作出可调光子晶体。目前制备可调的光子晶体所用的材料有液晶、铁电、水凝胶等。基于液晶材料和铁电材料的光子晶体一般是通过改变电场来调节材料的介电常数从而实现光子禁带的变化。但是应用这些材料形成的可调光子晶体应用于生物传感器要通过较复杂的表面修饰来检测蛋白质、DNA和微生物等生物样品。而水凝胶具有很好的生物相容性，固定在水凝胶中的生物样品活性能够长时间保持，因此不需要通过表面修饰处理就可以进行生物样品的检测，简化了检测的步骤和缩短了检测时间。另外水凝胶可以随温度、湿度、PH值等的变化发生膨胀或收缩，所以基于水凝胶光子晶体的晶格常数是可调谐的。

目前基于水凝胶可调谐光子晶体的制备是采用自组装的方式形成SiO₂、PS(polystyrene，聚苯乙烯)、PMMA等胶体粒子三维晶体结构，然后把水凝胶填充在胶体粒子间隙中。但是采用自组装的方法制备光子晶体，制备步骤多，技术难度大，并且制作过程中难以引入谐振腔等缺陷，不能很好的利用具有谐振腔的光子晶体的特性。为此，本发明提出一种直接利用流体铸模和纳米压印等技术制作水凝胶二维光子晶体的方法。然后可以通过改变温度、湿度、PH值等来调节水凝胶光子晶体的晶格常数，从而实现改变光子禁带特性。该方法制备工艺简单，制作周期短，成本低。

发明内容

本发明提供一种工序简单、快捷有效形成二维光子晶体的方法，并提供调谐该光子晶体光子带隙的方法。

本发明提出的形成二维光子晶体的方法，具体步骤为：先设计出可见光内的二维光子晶体图形结构，制作出PDMS弹性印章作为模板，采用流体铸模和纳米压印技术将PDMS弹性印章上的光子晶体结构转移到水凝胶上，即得到水凝胶可调谐光子晶体，这里水凝胶材料可以选用聚丙烯酰胺或琼脂糖等。

本发明还提出对该光子晶体进行调谐振光子带隙的方法，其步骤为：将上述方法制备的水凝胶光子晶体置于玻璃或硅等基底上，用粘性材料将水凝胶光子晶体固定在基底上，通过控制温度的变化使得水凝胶吸收水分膨胀或丢失水分收缩，从而改变水凝胶表面光子晶体的晶格常数，使光子禁带的位置发生偏移。

本发明基于纳米压印技术制备的水凝胶可调谐光子晶体具有广泛的应用，不仅可以作为温度或湿度传感器，还可以用于生物DNA分子、蛋白质、病毒等的检测。

附图说明

图1制备水凝胶光子晶体的流程图示。

图2设计并制作的Si基光子晶体模板(俯视图)，其中，(a)蜂窝结构，(b)o正六角形结构，(c)o正方形结构。

图3由Si基模板通过铸模得到的PDMS弹性印章模板，再通过压印得到的水凝胶光子晶体(俯视图)。其中，(a)为蜂窝结构，(b)为正六角形结构，(c)为正方形结构。

图4调谐原理图示。

图中标号：1为硅基，2为Si基光子晶体结构，3为聚二甲基硅氧烷材料，4为疏水剂，5为弹性印章，6为水凝胶，7为水凝胶光子晶体，8为粘性材料，9为玻璃片。

具体实施方式